DE102012102283A1 - Method for determining aging of hydrogen fuel cells of fuel cell stack of vehicle, involves comparing difference between identified and computed catalyst carrier surface areas to measure alteration in catalyst carrier surface area - Google Patents

Method for determining aging of hydrogen fuel cells of fuel cell stack of vehicle, involves comparing difference between identified and computed catalyst carrier surface areas to measure alteration in catalyst carrier surface area Download PDF

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Andrew J. Maslyn
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Abstract

The method involves determining cross over parasitic current and a short circuit resistance of a perfluoro sulfonic acid membrane (16), and computing a catalyst surface area and a catalyst carrier surface area based on a capacitance, short circuit resistance and a predetermined voltage. The difference between an identified catalyst surface area and a computed catalyst surface area is compared to measure alteration in catalyst surface area. The difference between the identified and computed catalyst carrier surface areas is compared to measure the change in the catalyst carrier surface area.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Quantifizieren der Alterung von Membranen und Elektroden in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere auf ein Verfahren zum Schätzen eines ”cross-over”-parasitären Stroms und eines Kurzschlusswiderstands der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel, um die Alterung der Brennstoffzellen in dem Stapel zu bestimmen.The invention relates generally to a method of quantifying the aging of membranes and electrodes in a fuel cell stack, and more particularly to a method of estimating cross-over parasitic current and short-circuit resistance of the membranes in a fuel cell stack to prevent aging of the fuel cells to determine the stack.

2. Diskussion des Standes der Technik2. Discussion of the Related Art

Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er regenerativ ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.Hydrogen is a very attractive fuel because it is renewable and can be used to efficiently produce electricity in a fuel cell. A hydrogen fuel cell is an electrochemical device including an anode and a cathode, between which an electrolyte is disposed. The anode receives hydrogen gas and the cathode receives oxygen or air. The hydrogen gas is dissociated in the anode to generate free hydrogen protons and electrons. The hydrogen protons pass through the electrolyte to the cathode. The hydrogen protons react with the oxygen and electrons in the cathode, producing water. The electrons can not pass through the electrolyte from the anode. Accordingly, they are passed over a load to perform work before they reach the cathode.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (Proton exchange membrane fuel cells, PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonen-leitende Membran, so zum Breispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anoden-Katalysatormischung, der Kathoden-Katalysatormischung und der Membran definieren eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA). MEAs erfordern eine adäquate Brennstoffversorgung und eine Befeuchtung für den effektiven Betrieb.Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are popular fuel cells for vehicles. A PEMFC generally includes a solid polymer electrolyte proton conductive membrane, such as a perfluorosulfonic acid membrane, for example. The anode and cathode typically include finely divided catalyst particles, usually platinum (Pt) dispersed on carbon particles and mixed with an ionomer. The catalyst mixture is applied to opposite sides of the membrane. The combination of the anode catalyst mixture, the cathode catalyst mixture and the membrane define a membrane electrode assembly (MEA). MEAs require adequate fuel supply and humidification for effective operation.

Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.Typically, multiple fuel cells are combined into a fuel cell stack to generate the desired performance. The fuel cell stack receives a cathode input gas, typically with an air flow passing through the stack by means of a compressor. Not all of the oxygen is consumed by the stack, and some of the air is discharged as the cathode exhaust, and the cathode exhaust may include water as a stack waste product. The fuel cell stack also receives an anode hydrogen input gas that flows into the anode side of the stack.

Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von bipolaren Platten auf, die zwischen die mehreren MEAs in dem Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Kathodengasflusskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.A fuel cell stack typically includes a series of bipolar plates disposed between the plurality of MEAs in the stack, with the bipolar plates and MEAs disposed between two end plates. The bipolar plates include an anode side and a cathode side for adjacent fuel cells in the stack. Anode gas flow channels are provided on the anode side of the bipolar plates that allow the anode reaction gas to flow to the respective MEA. Cathode gas flow channels are provided on the cathode side of the bipolar plates, which allow the cathode reaction gas to flow to the respective MEA. One end plate includes anode gas flow channels and the other end plate includes cathode gas flow channels. The bipolar plates and end plates are made of a conductive material such as stainless steel or a conductive composite material. The end plates divert the electricity generated by the fuel cells out of the stack. The bipolar plates further include flow channels through which a coolant flows.

Die MEAs sind permeabel und gestatten deswegen, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels durch die MEA wandert und sich an der Anodenseite des Stapels sammelt, was oft als Stickstoff-”Cross-Over” bezeichnet wird. Obwohl der anodenseitige Druck geringfügig größer sein kann als der kathodenseitige Druck, verursachen die kathodenseitigen Partialdrücke, dass Sauerstoff und Stickstoff durch die Membran wandert. Der gewanderte Sauerstoff verbrennt im Beisein des Anodenkatalysators, wohingegen der gewanderte Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels sich im Wasserstoff löst. Wenn die Stickstoffkonzentration über einen gewissen Prozentsatz ansteigt, beispielsweise über 50%, können Brennstoffzellen in dem Stapel an Wasserstoff erschöpft sein. Falls die Anode an Wasserstoff erschöpft ist, kann der Brennstoffzellenstapel versagen adäquate elektrische Leistung zu produzieren und kann den Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel Schaden zufügen. Da die Membranen altern, können sie dünner werden und es dadurch ermöglichen, dass Stickstoff mit einer schnelleren Rate auf die Anodenseite wandert.The MEAs are permeable, allowing nitrogen in the air to migrate from the cathode side of the stack through the MEA and collect on the anode side of the stack, often referred to as nitrogen cross-over. Although the anode-side pressure may be slightly greater than the cathode-side pressure, the cathode-side partial pressures cause oxygen and nitrogen to migrate through the membrane. The migrated oxygen burns in the presence of the anode catalyst, whereas the migrated nitrogen in the anode side of the fuel cell stack dissolves in the hydrogen. As the nitrogen concentration increases above a certain percentage, for example above 50%, fuel cells in the stack may be depleted of hydrogen. If the anode is depleted of hydrogen, the fuel cell stack may fail to produce adequate electrical power and may leak to the electrodes damage in the fuel cell stack. As the membranes age, they can become thinner, allowing nitrogen to migrate to the anode side at a faster rate.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, ein Entlüftungsventil am Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels anzuordnen, um den Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels abzulassen. Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Molenbruch an Stickstoff in der Anodenseite mit einer Modellrechnung abzuschätzen, um zu bestimmen, wann die Entlüftung der Anodenseite oder des Anodensubsystems zu erfolgen hat. Die Modellabschätzung kann allerdings fehlerbehaftet sein, insbesondere, weil mit der Zeit eine Alterung der Komponenten des Brennstoffzellensystems, beispielsweise der Membranen, erfolgt. Wenn die Abschätzung des anodenseitigen Stickstoffmolenbruchs signifikant größer ist als der tatsächliche Stickstoffmolenbruch, wird aus dem Brennstoffzellensystem mehr Anodengas als nötig abgelassen, das heißt es wird Brennstoff vergeudet. Wenn die Abschätzung des anodenseitigen Stickstoffmolenbruchs signifikant niedriger ist als der aktuelle Stickstoffmolenbruch, dann wird nicht genug Anodengas abgelassen und es können zu wenig Reaktanten in der Brennstoffzelle vorliegen, was zur Beschädigung der Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel führen kann.From the prior art, it is known to arrange a vent valve at the anode exhaust outlet of the fuel cell stack to vent the nitrogen from the anode side of the stack. Further, it is known in the art to estimate the molar fraction of nitrogen in the anode side with a model calculation to determine when to deaerate the anode side or the anode subsystem. However, the model estimation can be faulty, in particular because aging causes the components of the fuel cell system, for example the membranes, to age over time. If the estimation of the anode-side nitrogen mole fraction is significantly greater than the actual nitrogen mole fraction, more anode gas is vented from the fuel cell system than necessary, that is, fuel is wasted. If the estimate of the anode-side nitrogen mole fraction is significantly lower than the current nitrogen mole fraction, then enough anode gas is not vented and there may be too few reactants in the fuel cell, which may damage the electrodes in the fuel cell stack.

In Abhängigkeit der Leistungsanforderungen eines Brennstoffzellensystems ändert sich die Spannung des Brennstoffzellenstapels. Dies ist als Spannungswechsel des Stapels bekannt. Ein Spannungswechsel verursacht, dass sich die Katalysatorteilchen ändern, beispielsweise können die Katalysatorteilchen sich zu einem Aggregat zusammensetzen, wobei sie die Oberflächenfläche, auf welcher die elektrochemische Reaktion stattfinden kann, reduziert. Dies verursacht Ineffizienzen und vermindert die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Darüber hinaus kann die Aggregation von Katalysatorteilchen den Katalysatorträger zum Kollabieren bringen. Korrosion der Katalysatorschichten kann ebenfalls eintreten, was die Lebensdauer der Brennstoffzelle ebenfalls reduziert.Depending on the power requirements of a fuel cell system, the voltage of the fuel cell stack changes. This is known as a voltage change of the stack. A voltage change causes the catalyst particles to change, for example, the catalyst particles can aggregate to form, reducing the surface area on which the electrochemical reaction can take place. This causes inefficiencies and reduces the life of the fuel cell. In addition, the aggregation of catalyst particles can collapse the catalyst support. Corrosion of the catalyst layers can also occur, which also reduces the life of the fuel cell.

Demzufolge besteht ein Bedürfnis danach, die Alterung der Elektroden und der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel über die gesamte Lebensdauer der Membranen in dem Stapel in einer Art zu bestimmen, die in einem Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug ausgeführt werden kann, ohne dass das Fahrzeug zu einer Wartung kommen muss und ohne das Erfordernis von mühsamen Testbedingungen, die den normalen Betrieb des Fahrzeugs beeinträchtigen können. Die Fähigkeit, die Elektroden- und Membranalterung in einem Brennstoffzellenfahrzeug zu quantifizieren, bringt eine Vielzahl von Möglichkeiten mit sich, um die Effizienz des Fahrzeugs und die Leistung, basierend auf den Fahranforderungen, zu optimieren.Accordingly, there is a need to determine the aging of the electrodes and membranes in a fuel cell stack over the life of the membranes in the stack in a manner that can be performed in a fuel cell stack in a vehicle without requiring the vehicle to be serviced must and without the requirement of tedious test conditions that may affect the normal operation of the vehicle. The ability to quantify electrode and membrane aging in a fuel cell vehicle presents a variety of opportunities to optimize vehicle efficiency and performance based on driving requirements.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Alterung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Aufrechterhalten eines konstanten Flusses an Wasserstoff zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, das Abschalten eines Luftflusses zu einer Kathodenseite des Stapels, sobald eine vorbestimmte Konzentration an Wasserstoff in der Anodenseite erreicht wurde, und das Identifizieren einer Katalysatoroberflächenfläche und einer Katalysatorträgeroberflächenfläche für Katalysatorschichten in dem Brennstoffzellenstapel. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Bestimmen des gesamten parasitären Stroms des Brennstoffzellenstapels, um einen ”cross-over”-parasitären Strom und einen Kurzschlusswiderstand des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen. Das Verfahren beinhaltet des weiteren die Berechnung der Katalysatoroberflächenfläche und der Katalysatorträgeroberflächenfläche der Katalysatorschichten und das Vergleichen der Differenz zwischen der identifizierten Katalysatoroberflächenfläche und der berechneten Katalysatoroberflächenfläche, um die Änderung in der Katalysatoroberflächenfläche abzuschätzen.In accordance with the teachings of the present invention, a method for determining the aging of fuel cells in a fuel cell stack is disclosed. The method includes maintaining a constant flow of hydrogen to the anode side of the fuel cell stack, shutting off air flow to a cathode side of the stack once a predetermined concentration of hydrogen in the anode side has been achieved, and identifying a catalyst surface area and catalyst support surface area for catalyst layers in the anode fuel cell stack. The method further includes determining the total parasitic current of the fuel cell stack to determine a cross-over parasitic current and a short-circuit resistance of the fuel cell stack. The method further includes calculating the catalyst surface area and the catalyst carrier surface area of the catalyst layers and comparing the difference between the identified catalyst surface area and the calculated catalyst surface area to estimate the change in catalyst surface area.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offenbar.Further features of the present invention will become apparent from the following description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

1 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle; 1 Fig. 10 is a cross-sectional view of a fuel cell;

2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems; und 2 is a simplified block diagram of a fuel cell system; and

3 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus für das Quantifizieren von Elektroden- und Membranalterung in einem Brennstoffzellenstapel. 3 FIG. 10 is a flowchart of an algorithm for quantifying electrode and membrane aging in a fuel cell stack.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die auf ein Verfahren zum Quantifizieren der Alterung der Brennstoffzellmembranen und -elektroden in einem Brennstoffzellenstapel über die Lebensdauer des Stapels gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen.The following discussion of embodiments of the present invention directed to a method for quantifying the aging of fuel cell membranes and electrodes in a fuel cell stack over the life of the stack is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention or its applications or applications Limit uses.

1 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 10, die Teil eines Brennstoffzellenstapels der unten erwähnten Art ist. Die Brennstoffzelle 10 beinhaltet eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14, die durch eine Perfluorsulfonsäure-Membran 16 getrennt sind. Eine Kathodenseiten-Diffusionsmedienschicht 20 ist an der Kathodenseite 12 angeordnet und eine Kathodenseiten-Katalysatorschicht 22 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmedienschicht 20. angeordnet. Entsprechend dazu ist eine Anodenseiten-Diffusionsmedienschicht 24 auf der Anodenseite 14 angeordnet und eine Anodenseiten-Katalysatorschicht 26 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmedienschicht 24 angeordnet. Die Katalysatorschichten 22 und 26 und die Membran 16 definieren eine MEA. Die Diffusionsmedienschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die den Transport von Eingangsgas zu und den Transport von Wasser aus der MEA bereitstellen. Eine Kathodenseiten-Flussfeldplatte 28 ist auf der Kathodenseite 12 angeordnet und eine Anodenseiten-Flussfeldplatte oder bipolare Platte 30 ist auf der Anodenseite 14 angeordnet. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell 10 which is part of a fuel cell stack of the type mentioned below. The fuel cell 10 includes a cathode side 12 and an anode side 14 passing through a perfluorosulfonic acid membrane 16 are separated. A cathode-side diffusion media layer 20 is on the cathode side 12 arranged and a cathode side catalyst layer 22 is between the membrane 16 and the diffusion media layer 20 , arranged. Corresponding to this is an anode side diffusion media layer 24 on the anode side 14 arranged and an anode side catalyst layer 26 is between the membrane 16 and the diffusion media layer 24 arranged. The catalyst layers 22 and 26 and the membrane 16 define an MEA. The diffusion media layers 20 and 24 are porous layers that provide the transport of input gas to and the transport of water from the MEA. A cathode side flow field plate 28 is on the cathode side 12 arranged and an anode side flow field plate or bipolar plate 30 is on the anode side 14 arranged.

2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 40 mit einem Brennstoffzellenstapel 42. Wasserstoffgas wird von einer Wasserstoffquelle 44 zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 auf der Leitung 46 geliefert. Ein Anodenabgas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 42 über die Leitung 50 abgeführt und in die Leitung 46 rezirkuliert. Ein Entlüftungsventil 56 wird periodisch geöffnet, um Anodenabgas durch eine Entlüftungsleitung 52 zu entlüften, um Stickstoff aus dem Anodensubsystem abzulassen. Ein Drucksensor 60 ist ebenfalls in der Leitung 50 angeordnet, um den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems 40 zu messen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Drucksensor 60 in der Leitung 46 angeordnet sein, was Fachleuten bekannt ist. 2 is a simplified block diagram of a fuel cell system 40 with a fuel cell stack 42 , Hydrogen gas is from a hydrogen source 44 to the anode side of the fuel cell stack 42 on the line 46 delivered. An anode exhaust gas is removed from the fuel cell stack 42 over the line 50 dissipated and in the line 46 recirculated. A bleed valve 56 is periodically opened to anode exhaust gas through a vent line 52 to vent to drain nitrogen from the anode subsystem. A pressure sensor 60 is also in the lead 50 arranged to the pressure of the anode subsystem of the fuel cell system 40 to eat. In an alternative embodiment, the pressure sensor 60 in the pipe 46 be arranged what is known to those skilled in the art.

2 veranschaulicht ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems, das mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Andere Beispiele beinhalten Brennstoffzellensysteme, die ein Split-Stack-Design mit Anodenflussumkehr verwenden. 2 FIG. 10 illustrates an example of a fuel cell system that can be used with the present invention. Other examples include fuel cell systems that use an anode flow split-split split stack design.

Luft aus einem Kompressor 62 wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 über die Leitung 64 geliefert. Ein Kathodengas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 42 auf einer Kathodengasleitung 66 ausgelassen. Eine Mischvorrichtung 68 ist in der Leitung 66 angeordnet, um das Kathodengas und das entlüftete Anodenabgas aus der Leitung 52 zu mischen.Air from a compressor 62 goes to the cathode side of the fuel cell stack 42 over the line 64 delivered. A cathode gas is removed from the fuel cell stack 42 on a cathode gas line 66 omitted. A mixing device 68 is in the lead 66 arranged to the cathode gas and the vented anode exhaust gas from the line 52 to mix.

Ein Controller 54 überwacht den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellsystems 40, welcher vom Drucksensor 60 gemessen wird, und regelt die Geschwindigkeit des Kompressors 62, regelt die Injektion von Wasserstoff aus der Wasserstoffquelle 44 an die Anodenseite des Stapels 42 und regelt die Stellung des Anodenentlüftungsventils 56, was im folgenden genauer ausgeführt werden wird. Der Controller 54 verwendet ein Modell, um die Wanderung von Stickstoff aus der Kathodenseite an die Anodenseite durch die Stapelmembranen 16 und die Konzentration an Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 42 zu schätzen. Darüber hinaus misst der Controller 54 die Länge der Zeit, die für das Anodensubsystem erforderlich ist, um Atmosphärendruck zu erreichen, nachdem das Brennstoffzellsystem 40 ausgeschaltet worden ist.A controller 54 monitors the pressure of the anode subsystem of the fuel cell system 40 , which from the pressure sensor 60 is measured, and controls the speed of the compressor 62 regulates the injection of hydrogen from the hydrogen source 44 to the anode side of the stack 42 and regulates the position of the anode vent valve 56 , which will be explained in more detail below. The controller 54 uses a model to control the migration of nitrogen from the cathode side to the anode side through the stacking membranes 16 and the concentration of nitrogen in the anode side of the stack 42 appreciate. In addition, the controller measures 54 the length of time required for the anode subsystem to reach atmospheric pressure after the fuel cell system 40 has been turned off.

Der Controller 54 verwendet zudem einen Algorithmus, der die Elektroden- und Membranalterung durch Quantifizieren des parasitären Stroms der Membranen in dem Stapel 42 und durch Quantifizieren der Katalysatoroberflächenfläche und der Katalysatorträgeroberflächenfläche der Katalysatorschichten 22 und 26 bestimmt. Der Algorithmus bestimmt darüber hinaus, ob der parasitäre Strom auf Grund von Gasen, die die Membran kreuzen, oder auf Grund von Kurzschlussströmen durch die Membran herrührt, was im folgenden genauer ausgeführt werden wird.The controller 54 also uses an algorithm that reduces electrode and membrane aging by quantifying the parasitic current of the membranes in the stack 42 and by quantifying the catalyst surface area and the catalyst support surface area of the catalyst layers 22 and 26 certainly. The algorithm also determines whether the parasitic current is due to gases crossing the membrane or due to short-circuit currents through the membrane, as will be explained in more detail below.

Der parasitäre Strom korreliert direkt zur Membranfunktionsfähigkeit. Wenn der parasitäre Strom niedrig ist, sind die Membranen funktionsfähig und funktionieren wie erwartet. Die Alterung der Membranen kann demnach über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 42 hinweg bestimmt werden durch Verwendung des Algorithmus, der den oben erläuterten parasitären Strom quantifiziert. Der parasitäre Strom für jede Membran 16 in dem Stapel 42 kann durch Messen der Spannung jeder einzelner Zelle bestimmt werden oder durch Überwachen der durchschnittlichen Zellspannung und der minimalen Zellspannung bestimmt werden. Die Änderung im parasitären Strom der Membranen 16 kann dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob eine schnelle Alterung einer Membran 16 in dem Stapel 42 auftritt, oder, ob die Membranen 16 gleichmäßiger altern.The parasitic current correlates directly to membrane function ability. When the parasitic current is low, the membranes are functional and functioning as expected. The aging of the membranes can therefore over the life of the fuel cell stack 42 be determined by using the algorithm that quantifies the above-explained parasitic current. The parasitic current for each membrane 16 in the pile 42 can be determined by measuring the voltage of each individual cell or determined by monitoring the average cell voltage and the minimum cell voltage. The Change in the parasitic current of the membranes 16 can be used to determine if rapid aging of a membrane 16 in the pile 42 occurs, or whether the membranes 16 to age more evenly.

Falls, basierend auf den Stapelcharakteristiken bestimmt wird, dass der parasitäre Strom einer oder mehrerer der Membranen 16 groß genug ist, um ein Einzelereignis anzuzeigen, wie zum Beispiel ein Kurzschlussereignis, kann es notwendig sein, den Brennstoffzellenstapel 42 abzuschalten und zu reparieren. Der Controller 56 kann anzeigen, dass eine Wartung des Stapels 42 benötigt wird, falls ein vorbestimmter Schwellwert für einen Kurzschlusswiderstand erreicht ist. Falls allerdings der parasitäre Strom einer oder mehrerer der Membranen 16 kein Kurzschlussereignis anzeigt, das heißt also die Membranen 16 gleichförmig altern, kann der Controller 54 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 anpassen, um die Alterung der Membranen 16 zu kompensieren. Wenn beispielsweise bestimmt wird, dass ein Wasserstoff-”Cross-over” vorliegt, das heißt der ”cross-over”-parasitäre Strom in den Membranen 16 zunimmt, kann sich Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 42 aufbauen. Unter solchen Umständen. kann der Algorithmus den Controller 56 dazu bringen, den Entlüftungs-Zeitplan für die Anodenseite des Stapels 42 anzupassen, um den Aufbau von Stickstoff in der Anodenseite abzulassen, das heißt, der Algorithmus kann dazu führen, dass der Controller 56 den Entlüftungs-Zeitplan anpasst, falls ein vorbestimmter Schwellwert für einen ”cross-over”-parasitären Strom erreicht wird.If, based on the stacking characteristics, it is determined that the parasitic current is one or more of the membranes 16 is large enough to indicate a single event, such as a short circuit event, it may be necessary to use the fuel cell stack 42 shut down and repair. The controller 56 can indicate that a maintenance of the pile 42 is needed if a predetermined threshold for a short circuit resistance is reached. However, if the parasitic current of one or more of the membranes 16 does not indicate a short circuit event, that is the membranes 16 age uniformly, the controller can 54 the operation of the fuel cell system 10 adjust to the aging of the membranes 16 to compensate. For example, if it is determined that there is a hydrogen "cross-over", that is, the cross-over parasitic current in the membranes 16 Nitrogen can accumulate in the anode side of the stack 42 build up. Under such circumstances. the algorithm can be the controller 56 bring to the purging schedule for the anode side of the stack 42 adapt to drain the build up of nitrogen in the anode side, that is, the algorithm can cause the controller 56 adjusts the bleed schedule if a predetermined cross-over parasitic threshold is reached.

Das Ausführen präziser Rechnungen bezüglich des parasitären Stroms der Membranen in einem Stapel kann bei einem Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug unpraktikabel sein, da spezifische Testparameter schwierig zu erhalten sind und den normalen Betrieb des Fahrzeugs beeinträchtigen könnten. Der parasitäre Strom kann allerdings mit einem guten Grad an Genauigkeit abgeschätzt werden, indem ein Wasserstoff-Takeover-Test ausgeführt wird, welcher das Aufrechterhalten eines konstanten Flusses von Wasserstoff an die Anodenseite und das Abschalten des Luftflusses an die Kathodenseite zu einer Zeit, bei der die Wasserstoffkonzentration in der Anodenseite bekannt ist, beinhaltet, was Fachleuten bekannt ist. Der oben diskutierte Algorithmus wird verwendet, um den gesamten parasitären Strom der Membranen in dem Stapel zu schätzen, den parasitären Strom, der durch einen ”Cross-over”-Strom verursacht wurde, und den parasitären Strom, der durch einen Kurzschlussstrom verursacht wurde, oder den Kurzschlusswiderstand, während drei Stufen des einzelnen Wasserstoff-Takeover-Tests. Der Kurzschlusswiderstand wird aus der Stromdichte bestimmt, was Fachleuten bekannt ist. Während jeder Stufe wird der Spannungsabfall des Brennstoffzellenstapels überwacht, was im Folgenden detaillierter beschrieben wird.Performing accurate calculations regarding the parasitic flow of the membranes in a stack may be impractical with a fuel cell stack in a vehicle because specific test parameters are difficult to obtain and could affect the normal operation of the vehicle. However, the parasitic current can be estimated with a good degree of accuracy by performing a hydrogen takeover test, which involves maintaining a constant flow of hydrogen to the anode side and shutting off the air flow to the cathode side at a time when the hydrogen Hydrogen concentration in the anode side includes what is known to those skilled in the art. The algorithm discussed above is used to estimate the total parasitic current of the membranes in the stack, the parasitic current caused by a cross-over current, and the parasitic current caused by a short circuit current, or the short circuit resistance, during three stages of the single hydrogen takeover test. The short circuit resistance is determined from the current density, which is known to those skilled in the art. During each stage, the voltage drop of the fuel cell stack is monitored, which will be described in more detail below.

Zusätzlich zum Schätzen des parasitären Stroms schätzt der Algorithmus des weiteren die Alterung der Elektroden, das heißt der Katalysatorschichten 22 und 26 der Brennstoffzellen in dem Stapel 12. Spannungswechsel des Brennstoffzellenstapels 12 kann die Oberflächenfläche des Katalysators, welcher typischerweise Platin ist, von den Katalysatorschichten 22 und 26 ändern. Beispielsweise kann sich der Katalysator der Katalysatorschichten 22 und 26 auf Grund des Spannungswechsels verklumpen. Die Aggregation der Katalysatorteilchen reduziert den Betrag an Katalysatoroberflächenfläche und kann des Weiteren dazu führen, dass die Katalysatorträgerstruktur, typischerweise Kohlenstoff, zusammenbricht. Demzufolge überwacht der Algorithmus die Membranalterung und auch die Alterung der Elektroden in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12.In addition to estimating the parasitic current, the algorithm further estimates the aging of the electrodes, that is, the catalyst layers 22 and 26 the fuel cells in the stack 12 , Voltage change of the fuel cell stack 12 For example, the surface area of the catalyst, which is typically platinum, may be from the catalyst layers 22 and 26 to change. For example, the catalyst of the catalyst layers 22 and 26 clump due to the voltage change. Aggregation of the catalyst particles reduces the amount of catalyst surface area and may further cause the catalyst support structure, typically carbon, to collapse. As a result, the algorithm monitors membrane aging and also the aging of the electrodes in the fuel cells of the fuel cell stack 12 ,

3 ist ein Flussdiagramm 70 eines Algorithmus zum Quantifizieren der Elektroden- und Membranalterung. Im Kasten 72 wird ein Wasserstoff-Takeover-Test ausgeführt, beispielsweise, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist oder in einem Standby-Betrieb ist. Sobald der Kathodenluftfluss abgeschaltet ist, wird der Spannungsabfall der Brennstoffzellen in dem Stapel 42 gemessen. Die gemessene Spannung kann von jeder Brennstoffzelle 10 oder von der mittleren Zellspannung resultieren und das Zellspannungsminimum kann ebenso überwacht werden. Ein vorbestimmter Abfall in der Spannung wird während der ersten Stufe im Kasten 72 gemessen. Beispielsweise kann der erste 200 mV-Abfall in der Stapelspannung aus der Leerlaufspannung (open current voltage, OCV) überwacht werden. 3 is a flowchart 70 an algorithm for quantifying electrode and membrane aging. In the box 72 For example, a hydrogen takeover test is performed, such as when the vehicle is off or in standby. Once the cathode air flow is turned off, the voltage drop of the fuel cells in the stack 42 measured. The measured voltage can be from any fuel cell 10 or from the mean cell voltage, and the cell voltage minimum can also be monitored. A predetermined drop in voltage occurs during the first stage in the box 72 measured. For example, the first 200 mV drop in stack voltage can be monitored from the open-current voltage (OCV).

Da der Bereich des Spannungsabfalls relativ klein ist, beispielsweise 200 mV, wird angenommen, dass jeglicher Kurzschlusswiderstand konstant ist. Die Kapazität des Brennstoffzellenstapels 42 ist basierend auf dem Betrag an Katalysator und Katalysatorträger der Ladung in der MEA bekannt. Das physische Volumen der Kathodenseite des Stapels 42 ist darüber hinaus bekannt. Demzufolge ist der Betrag an Sauerstoff, der in der Kathodenseite vorliegt, bekannt und es ist auch bekannt, wieviel Strom erforderlich ist, um den Sauerstoff in der Kathodenseite des Stapels 42 aufzubrauchen.Since the range of the voltage drop is relatively small, for example 200 mV, it is assumed that any short circuit resistance is constant. The capacity of the fuel cell stack 42 is known based on the amount of catalyst and catalyst carrier of the charge in the MEA. The physical volume of the cathode side of the stack 42 is also known. As a result, the amount of oxygen present in the cathode side is known, and it is also known how much current is required to supply the oxygen in the cathode side of the stack 42 consume.

Stufe 1 kann als die Stufe definiert werden, bei der die Gasphase an Sauerstoff in der Kathode zum größten Teil durch parasitäre Ströme aufgebraucht wird. Beispielsweise werden der Betrag von Katalysatoroberflächenfläche und Katalysatorträgeroberflächenfläche auf der Kathodenseite des Stapels 42 im Kasten 74 für die Stufe 1 zwischen Leerlaufspannung und 200 mV unterhalb der Leerlaufspannung angenommen, und der gesamte parasitäre Strom der Membranen 16 in dem Stapel 42 wird im Kasten 76 unter Verwendung der Gleichung

Figure 00120001
berechnet, wobei IP der gesamte parasitäre Strom, t die Zeit, C1 der Kapazitätsfaktor für die Stufe 1, V die Spannung, β1 der Geometriefaktor der Stufe 1, b die Tafelsteigung und γORR die Sauerstoffreduktionsreaktionsordnung (oxygen reduction reaction, ORR) (0, 79) ist.Stage 1 can be defined as the stage at which the gas phase of oxygen in the cathode is largely consumed by parasitic currents. For example, the amount of catalyst surface area and catalyst carrier surface area become on the cathode side of the stack 42 in the box 74 for stage 1 between open circuit voltage and 200 mV below the open circuit voltage, and the total parasitic current of the membranes 16 in the pile 42 will be in the box 76 using the equation
Figure 00120001
where I p is the total parasitic current, t is the time, C 1 is the capacitance factor for stage 1, V is the voltage, β 1 is the geometric factor of stage 1, b is the table slope, and γ ORR is the oxygen reduction reaction (ORR) order. (0, 79).

Der Kapazitätsfaktor C1 der Stufe 1 kann definiert werden als: C1 = (CCa-H + CCa-DL)·rfCa + CS-DL·rfS (2) The capacity factor C 1 of level 1 can be defined as: C 1 = (C Ca-H + C Ca-DL ) * rf Ca + C S-DL * rf S (2)

Wobei CCa-H die intrinsische Katalysator-Wasserstoff-Pseudokapazität ist, CCa-DL die intrinsische Katalysatordoppelschichtkapazität ist, rfCa der Rauhigkeitsfaktor des Katalysators ist, CS-DL die intrinsische Katalysatorträgerdoppelschichtkapazität ist und rfS der Rauhigkeitsfaktor des Katalysatorträgers ist.Where C Ca-H is the intrinsic catalyst hydrogen pseudo capacity, C Ca-DL is the intrinsic catalyst double-layer capacity, rf Ca is the roughness factor of the catalyst, C S-DL is the intrinsic catalyst support double-layer capacity and rf S is the roughness factor of the catalyst support.

Der Geometriefaktor β1 der Stufe 1 kann definiert werden als:

Figure 00130001
The geometry factor β 1 of stage 1 can be defined as:
Figure 00130001

Wobei F die Faraday-Konstante (96,485 C/mol) ist, VCath das gesamte Kathodenvolumen mit Sauerstoff ist, AMEA die aktive Fläche der MEA ist und CO2 die Konzentration an Sauerstoff in der Kathode ist.Where F is the Faraday constant (96.485 C / mol), V Cath is the total cathode volume with oxygen, A MEA is the active area of the MEA, and C O2 is the concentration of oxygen in the cathode.

Der Rauhigkeitsfaktor rfCa des Katalysators kann definiert werden als: rfCa = 10·loading·ETA (4) The roughness factor rf Ca of the catalyst can be defined as: rf Ca = 10 · loading · ETA (4)

Wobei loading die Katalysatorbeladung in der MEA in mgCa/cm2, und ECA die Katalysatoroberflächenfläche in mCa 2/gCa ist.Where loading is the catalyst loading in the MEA in mg Ca / cm 2 , and ECA is the catalyst surface area in m Ca 2 / g Ca.

Ähnlich kann der Rauhigkeitsfaktor rfS des Katalysatorträgers definiert werden als: rfS = 10·(loading· 100 – %Ca / 100)Ssurface area (5) Similarly, the roughness factor rf S of the catalyst support can be defined as: rf S = 10 · (loading · 100 -% Ca / 100) S surface area (5)

Wobei Ssurface area die Katalysatorträgeroberflächenfläche ist.Where S surface area is the catalyst carrier surface area .

Der gesamte parasitäre Strom IP, berechnet mit dem Algorithmus im Kasten 76, zeigt an, wie gut die Membranen 16 in dem Stapel 42 als Isolatoren und als Gasseparatoren wirken.The total parasitic current I P , calculated using the algorithm in the box 76 , indicates how well the membranes 16 in the pile 42 act as insulators and as gas separators.

Darüber hinaus berechnet der Algorithmus, wieviel an gesamtem parasitärem Strom von dem ”cross-over”-parasitären Strom verursacht ist, das heißt von Gasen verursacht ist, die die Membran 16 während der Stufe 3 queren, welche einen vorbestimmten Spannungsabfall des Stapels 42 misst. Stufe 3 kann als die Stufe angesehen werden, bei welcher Wasserstoffadsorption auf dem Katalysator und auf der Katalysatorträgerfläche geschieht. Die numerischen Werte, die verwendet werden, um jede der Stufen 1, 2 und 3 zu definieren, sind rein beispielhaft und nicht dazu gedacht, den Bereich des Algorithmus, wie er hier beschrieben wird, zu begrenzen. Beispielsweise kann ein Abfall von 300 mV nach den Stufen 1 und 2 beobachtet werden. Während der Spannungsabfall für die Stufe 2 zuerst gemessen wird, was als die Stufe definiert werden kann, bei welcher das meiste an Sauerstoff in der Form von Katalysatoroxid und Trägerdoppelschicht aufgebraucht wird, beispielsweise einen Abfall von 500 mV von der End-Spannung der Stufe 1, muss der Algorithmus den Spannungsabfall in der Stufe 3 überwachen und den ”Cross-over”-Strom aus der Stufe 3 berechnen, da während der Stufe 3 der Kurzschlusswiderstand als Null angenommen werden kann, da die Spannung des Stapels 42 so niedrig ist. Der ”cross-over”-parasitäre Strom kann gemäß der Gleichung berechnet werden: IXOΔt = –C3ΔV + β3[10–V(t)/0.035 – 10–V(t=0)/0.035] (6) In addition, the algorithm calculates how much of the total parasitic current is caused by the cross-over parasitic current, that is, of gases that cause the membrane 16 during stage 3, which results in a predetermined voltage drop of the stack 42 measures. Step 3 can be considered as the step at which hydrogen adsorption occurs on the catalyst and on the catalyst support surface. The numerical values used to define each of the stages 1, 2 and 3 are merely exemplary and are not intended to limit the scope of the algorithm as described herein. For example, a drop of 300 mV after stages 1 and 2 can be observed. While the voltage drop for stage 2 is measured first, which can be defined as the stage at which most of the oxygen in the form of catalyst oxide and carrier bilayer is consumed, for example a drop of 500 mV from the stage 1 end voltage, the algorithm must monitor the voltage drop in stage 3 and calculate the "cross over" current from stage 3, since during stage 3 the short circuit resistance can be assumed to be zero, since the voltage of the stack 42 is so low. The cross-over parasitic current can be calculated according to the equation: I XO Δt = -C 3 ΔV + β 3 [10 -V (t) /0.035 - 10 -V (t = 0) /0.035 ] (6)

Wobei IXO der ”Cross-Over”-Strom, C3 der Kapazitätsfaktor für Stufe 3 und β3 der Geometriefaktor für Stufe 3 ist. Where I XO is the cross-over current, C 3 is the capacitance factor for stage 3, and β 3 is the geometry factor for stage 3.

Der Kapazitätsfaktor C3 für Stufe 3 kann definiert werden als: C3 = (CCa-H + CCa-DL)·rfCa + CS-DL·rfS (7) The capacity factor C 3 for level 3 can be defined as: C 3 = (C Ca-H + C Ca-DL ) * rf Ca + C S-DL * rf S (7)

Der Geometriefaktor β3 der Stufe 3 kann definiert werden als:

Figure 00150001
The geometry factor β 3 of stage 3 can be defined as:
Figure 00150001

Danach werden die Kathoden-Katalysatoroberflächenfläche und Katalysatorträgeroberflächenfläche aus der Stufe 2 im Kasten 82 neu berechnet mit Hilfe der Gleichung:

Figure 00150002
Thereafter, the cathode catalyst surface area and catalyst carrier surface area from stage 2 in the box 82 recalculated using the equation:
Figure 00150002

Wobei C2 der Kapazitätsfaktor der Stufe 2 ist, Rsh der Kurzschlusswiderstand ist und V stage2 / t=0 die Spannung bei Beginn der Stufe 2 ist. Diese Werte werden dann mit den angenommenen Werten im Kasten 74 verglichen und numerische Verfahren werden verwendet, um zu einer akzeptablen Lösung innerhalb eines vorbestimmten Fehlerwerts zu iterieren, beispielsweise innerhalb eines Ein-Prozent-Fehlers.Where C 2 is the level 2 capacitance factor, R sh is the short circuit resistance and V stage2 / t = 0 the voltage at the beginning of stage 2 is. These values will then be in the box with the assumed values 74 and numerical methods are used to iterate to an acceptable solution within a predetermined error value, for example, within a one percent error.

Der Kapazitätsfaktor C2 der Stufe 2 kann wie folgt definiert werden:

Figure 00160001
The capacity factor C 2 of level 2 can be defined as follows:
Figure 00160001

Es wird erwartet, dass sich der Kapazitätsterm ändert, da die Pseudo-Kapazität unterhalb ungefähr 600 mV gegenüber reversibler Wasserstoffelektrode (reversible hydrogen electrode, RHE) nicht länger entladen wird, das heißt Oxide, die auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert sind, werden vollständig durch Wasserstoff aufgebraucht. Die Berechnungen werden jetzt vereinfacht durch die Annahme, dass das Kurzschließen eine Funktion der Spannung ist. Daher kann eine Beziehung zwischen Kurzschlusswiderstand, ”cross-over”-parasitärem Strom und gesamtem parasitärem Strom unter Verwendung der folgenden Gleichung gefunden werden:

Figure 00160002
The capacity term is expected to change since the pseudo-capacitance below about 600 mV is no longer discharged to reversible hydrogen electrode (RHE), that is, oxides adsorbed on the catalyst surface are completely consumed by hydrogen , The calculations are now simplified by the assumption that shorting is a function of voltage. Therefore, a relationship between short circuit resistance, crossover parasitic current, and total parasitic current can be found using the following equation:
Figure 00160002

Wobei IXO der ”cross-over”-parasitäre Strom ist und V stage1 / avg die durchschnittliche Zellspannung während Stufe 1 ist.Where I XO is the "cross-over" parasitic current and V stage1 / avg the average cell voltage is during stage 1.

Damit wird die Stufe 2 Kapazität des gemessenen Spannungsabfalls der Stufe 2 zuletzt bestimmt, da zu diesem Zeitpunkt der gesamte parasitäre Strom, der ”cross-over”-parasitäre Strom und der Kurzschlusswiderstand bekannt sind. Wie oben erläutert, muss der nach Stufe 3 ermittelte ”cross-over”-parasitäre Strom ermittelt werden, bevor der Kurzschlusswiderstand ermittelt wird, da in der Stufe 3 der Kurzschlussstrom oder -widerstand als Null angenommen werden können. Daher ist der ”cross-over”-parasitäre Strom die einzige Unbekannte in Stufe 3 und kann gemäß der oben diskutierten Gleichung 6 ermittelt werden.Thus, the stage 2 capacity of the measured voltage drop of the stage 2 is determined last, because at this time the total parasitic current, the cross-over parasitic current and the short-circuit resistance are known. As explained above, the cross-over parasitic current determined in step 3 must be determined before the short-circuit resistance is determined, as in step 3 the short-circuit current or resistance can be assumed to be zero. Therefore, the crossover parasitic current is the only unknown in step 3 and can be determined according to equation 6 discussed above.

Falls die Differenz zwischen der berechneten Katalysatoroberflächenfläche, ECA, und der angenommenen Katalysatoroberflächenfläche geringer ist als ein vorbestimmter Wert, beispielsweise ein Prozent, und die Differenz zwischen der berechneten Katalysatorträgeroberflächenfläche Ssurface area, und der angenommenen Katalysatorträgeroberflächenfläche geringer ist als ein vorbestimmter Wert, wird der Algorithmus anschließend das Berechnen im Kasten 82 beenden. Falls die Differenz größer ist als ein vorbestimmter Wert, wie beispielsweise ein Prozent, wird der Algorithmus die oben erläuterten Berechnungen im Kasten 82 wiederholen. Basierend auf der Differenz zwischen der berechneten Katalysatoroberflächenfläche und der angenommenen Katalysatoroberflächenfläche und der Differenz zwischen der berechneten Katalysatorträgeroberflächenfläche und der angenommenen Katalysatorträgeroberflächenfläche wird der Algorithmus den nächsten Katalysatoroberflächenflächen-Wert in Kasten 84 abschätzen, das heißt die Änderung der Katalysatoroberflächenfläche. Der Algorithmus kann anzeigen, dass eine Wartung des Brennstoffzellenstapels 12 erforderlich ist, falls ein vorbestimmter Schwellwert der Katalysatoroberflächenfläche erreicht ist. Der vorbestimmte Schwellwert hängt von Stapelcharakteristiken ab.If the difference between the calculated catalyst surface area , ECA, and the assumed catalyst surface area is less than a predetermined value, for example one percent, and the difference between the calculated catalyst carrier surface area S surface area and the assumed catalyst carrier surface area is less than a predetermined value, the algorithm becomes then the calculation in the box 82 break up. If the difference is greater than a predetermined value, such as one percent, the algorithm will box the calculations discussed above 82 to repeat. Based on the difference between the calculated catalyst surface area and the assumed catalyst surface area and the difference between the calculated catalyst carrier surface area and the assumed catalyst carrier surface area, the algorithm becomes the next catalyst surface area value in box 84 estimate, that is the change in the catalyst surface area. The algorithm can indicate that maintenance of the fuel cell stack 12 is required if a predetermined threshold of the catalyst surface area is reached. The predetermined threshold depends on stacking characteristics.

Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Beschreibung und aus den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne den Geist und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.The foregoing discussion discloses and describes purely exemplary embodiments of the present invention. One skilled in the art can readily appreciate from the specification and from the appended drawings and claims that various changes, modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention as defined in the following claims.

Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen der Alterung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst: – Aufrechterhalten eines konstanten Flusses an Wasserstoff zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels und Abschalten eines Luftflusses zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, sobald eine vorbestimmte Konzentration an Wasserstoff in der Anodenseite erreicht wurde; – Identifizieren eines vorbestimmten Spannungsabfalls des Brennstoffzellenstapels nach dem Abschalten des Luftflusses zu der Kathodenseite; – Identifizieren einer Katalysatoroberflächenfläche und einer Katalysatorträgeroberflächenfläche von Katalysatorschichten in dem Brennstoffzellenstapel; – Bestimmen eines gesamten parasitären Stroms von Membranen in dem Brennstoffzellenstapel; – Bestimmen eines ”cross-over”-parasitären Stroms und eines Kurzschlusswiderstands der Membranen aus dem gesamten parasitären Strom; – Berechnen der Katalysatoroberflächenfläche und der Katalysatorträgeroberflächenfläche basierend auf einem Kapazitätsfaktor, dem Kurzschlusswiderstand und einer vorbestimmten Spannung; – Vergleichen der Differenz zwischen der identifizierten Katalysatoroberflächenfläche und der berechneten Katalysatoroberflächenfläche, um die Änderung in der Katalysatoroberflächenfläche abzuschätzen; und – Vergleichen der Differenz zwischen der identifizierten Katalysatorträgeroberflächenfläche und der berechneten Katalysatorträgeroberflächenfläche, um die Änderung in der Katalysatorträgeroberflächenfläche abzuschätzen.A method of determining the aging of fuel cells in a fuel cell stack, the method comprising: Maintaining a constant flow of hydrogen to an anode side of the fuel cell stack and shutting off air flow to a cathode side of the fuel cell stack once a predetermined concentration of hydrogen has been reached in the anode side; Identifying a predetermined voltage drop of the fuel cell stack after switching off the air flow to the cathode side; - identifying a catalyst surface area and a catalyst carrier surface area of catalyst layers in the fuel cell stack; Determining a total parasitic flow of membranes in the fuel cell stack; Determining a crossover parasitic current and a short circuit resistance of the membranes from the total parasitic current; Calculating the catalyst surface area and the catalyst carrier surface area based on a capacity factor, the short circuit resistance and a predetermined voltage; Comparing the difference between the identified catalyst surface area and the calculated catalyst surface area to estimate the change in catalyst surface area; and Comparing the difference between the identified catalyst carrier surface area and the calculated catalyst carrier surface area to estimate the change in the catalyst carrier surface area. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Identifizieren des vorbestimmten Spannungsabfalls des Brennstoffzellenstapels nach dem Abschalten des Luftflusses zu der Kathodenseite das Identifizieren des Spannungsabfalls des Brennstoffzellenstapels in drei Stufen beinhaltet, wobei jede Stufe ein vorbestimmter Spannungsabfall nach dem Abschalten des Luftflusses zu der Kathodenseite ist.The method of claim 1, wherein identifying the predetermined voltage drop of the fuel cell stack after switching off the air flow to the cathode side includes identifying the voltage drop of the fuel cell stack in three stages, each stage being a predetermined voltage drop after switching off the air flow to the cathode side. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine erste Stufe der drei Stufen das Messen ungefähr eines 200 mV Spannungsabfalls von einer Leerlaufspannung beinhaltet.The method of claim 2, wherein a first stage of the three stages includes measuring approximately a 200 mV voltage drop from an open circuit voltage. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine zweite Stufe der drei Stufen das Messen ungefähr eines 500 mV Spannungsabfalls von einer End-Spannung der ersten Stufe beinhaltet.The method of claim 3, wherein a second stage of the three stages includes measuring approximately a 500 mV voltage drop from a first stage end voltage. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine dritte Stufe der drei Stufen das Messen ungefähr eines 300 mV Spannungsabfalls von einer End-Spannung der zweiten Stufe beinhaltet.The method of claim 4, wherein a third stage of the three stages includes measuring approximately a 300 mV voltage drop from a second stage end voltage. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der gesamte parasitäre Strom der ersten Stufe bestimmt wird, nachdem der Spannungsabfall der ersten Stufe vollständig ist.The method of claim 3, wherein the total parasitic current of the first stage is determined after the first stage voltage drop is complete. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der ”cross-over”-parasitäre Strom bestimmt wird, nachdem der Spannungsabfall der dritten Stufe vollständig ist.The method of claim 5, wherein the cross-over parasitic current is determined after the third-stage voltage drop is complete. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kurzschlusswiderstand bestimmt wird, nachdem der Spannungsabfall der zweiten Stufe vollständig ist.The method of claim 4, wherein the short circuit resistance is determined after the second stage voltage drop is complete. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Katalysatoroberflächenfläche und die Katalysatorträgeroberflächenfläche berechnet werden, nachdem die zweite Stufe vollständig ist.The method of claim 4, wherein the catalyst surface area and catalyst carrier surface area are calculated after the second stage is complete. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vergleichen der Differenz zwischen der identifizierten Katalysatoroberflächenfläche und der berechneten Katalysatoroberflächenfläche und der identifizierten Katalysatorträgeroberflächenfläche und der berechneten Katalysatorträgeroberflächenfläche das Iterieren zu einer akzeptablen Lösung innerhalb eines vorbestimmten Fehlerwerts beinhaltet. The method of claim 1, wherein comparing the difference between the identified catalyst surface area and the calculated catalyst surface area and the identified catalyst carrier surface area and the calculated catalyst carrier surface area includes iterating to an acceptable solution within a predetermined error value.
DE102012102283A 2011-04-26 2012-03-19 Method for determining aging of hydrogen fuel cells of fuel cell stack of vehicle, involves comparing difference between identified and computed catalyst carrier surface areas to measure alteration in catalyst carrier surface area Ceased DE102012102283A1 (en)

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